JP2014187726A - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device with improved reliability of a normally-off transistor and a normally-on transistor that are serially connected.SOLUTION: A semiconductor device includes: a normally-off transistor having a first source connected to a source terminal, a first drain, and a first gate connected to a gate terminal; a normally-on transistor having a second source connected to the first drain, a second drain connected to the drain terminal, and a second gate; a capacitor provided between the gate terminal and the second gate; and a first diode having a first anode connected between the capacitor and the second gate, and a cathode connected to the first source.

Description

本発明の実施形態は、半導体装置に関する。   Embodiments described herein relate generally to a semiconductor device.
次世代のパワー半導体デバイス用の材料としてIII族窒化物、例えば、GaN(窒化ガリウム)系の半導体が期待されている。GaN系の半導体デバイスはSi(シリコン)と比較して広いバンドギャップを備え、Siの半導体デバイスと比較して、高い耐圧、低い損失が実現できる。   Group III nitrides, for example, GaN (gallium nitride) based semiconductors are expected as materials for next-generation power semiconductor devices. A GaN-based semiconductor device has a wider band gap than Si (silicon), and can achieve higher breakdown voltage and lower loss than Si semiconductor devices.
GaN系のトランジスタでは、一般に、2次元電子ガス(2DEG)をキャリアとするHEMT(High Electron Mobility Transistor)構造が適用される。通常のHEMTは、ゲートに電圧を印加しなくても導通してしまうノーマリーオンのトランジスタとなる。このため、ゲートに電圧を印加しない限り導通しないノーマリーオフのトランジスタを実現することが困難であるという問題がある。   In a GaN-based transistor, a HEMT (High Electron Mobility Transistor) structure using a two-dimensional electron gas (2DEG) as a carrier is generally applied. A normal HEMT is a normally-on transistor that conducts without applying a voltage to the gate. Therefore, there is a problem that it is difficult to realize a normally-off transistor that does not conduct unless a voltage is applied to the gate.
数百V〜1千Vという大きな電力をあつかう電源回路等では、安全面を重視してノーマリーオフの動作が要求される。そこで、ノーマリーオンのGaN系トランジスタとノーマリーオフのSiトランジスタとをカスコード接続して、ノーマリーオフ動作を実現する回路構成が提唱されている。   In a power supply circuit or the like that handles a large power of several hundred V to 1,000 V, a normally-off operation is required with an emphasis on safety. Thus, a circuit configuration has been proposed in which a normally-off GaN transistor and a normally-off Si transistor are cascode-connected to realize a normally-off operation.
しかし、このような回路構成においては、2つのトランジスタの接続点に過電圧が生じた場合の素子の破壊や特性劣化が問題となる。   However, in such a circuit configuration, there is a problem of element destruction and characteristic deterioration when an overvoltage occurs at a connection point between two transistors.
特開2012−212875号公報JP 2012-212875 A
本発明が解決しようとする課題は、直列接続されるノーマリーオフトランジスタとノーマリーオントランジスタの信頼性が向上した半導体装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a semiconductor device in which the reliability of normally-off transistors and normally-on transistors connected in series is improved.
実施形態の半導体装置は、ソース端子と、ドレイン端子と、ゲート端子を備える。そして、ソース端子に接続される第1のソース、第1のドレイン、ゲート端子に接続される第1のゲートを有するノーマリーオフトランジスタと、第1のドレインに接続される第2のソース、ドレイン端子に接続される第2のドレイン、第2のゲートを有するノーマリーオントランジスタと、ゲート端子と第2のゲート間に設けられるコンデンサと、コンデンサと第2のゲート間に接続される第1のアノードと、第1のソースに接続される第1のカソードを有する第1のダイオードと、を備える。   The semiconductor device of the embodiment includes a source terminal, a drain terminal, and a gate terminal. A normally-off transistor having a first source connected to the source terminal, a first drain, and a first gate connected to the gate terminal, and a second source and drain connected to the first drain A normally-on transistor having a second drain connected to the terminal and a second gate, a capacitor provided between the gate terminal and the second gate, and a first connected between the capacitor and the second gate. An anode and a first diode having a first cathode connected to a first source.
第1の実施形態の半導体装置の回路図である。1 is a circuit diagram of a semiconductor device according to a first embodiment. 比較形態の半導体装置の回路図である。It is a circuit diagram of the semiconductor device of a comparison form. 第1の実施形態の半導体装置の効果を示す図である。It is a figure which shows the effect of the semiconductor device of 1st Embodiment. 第2の実施形態の半導体装置の回路図である。It is a circuit diagram of the semiconductor device of a 2nd embodiment. 第3の実施形態の半導体装置の回路図である。It is a circuit diagram of the semiconductor device of a 3rd embodiment. 第4の実施形態の半導体装置の回路図である。It is a circuit diagram of the semiconductor device of a 4th embodiment. 第5の実施形態の半導体装置の回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram of a semiconductor device according to a fifth embodiment. 第6の実施形態の半導体装置の回路図である。It is a circuit diagram of the semiconductor device of a 6th embodiment. 第7の実施形態の半導体装置の回路図である。It is a circuit diagram of the semiconductor device of a 7th embodiment. 第8の実施形態の半導体装置の回路図である。It is a circuit diagram of the semiconductor device of 8th Embodiment. 第9の実施形態の半導体装置の回路図である。It is a circuit diagram of the semiconductor device of 9th Embodiment. 第10の実施形態の半導体装置の上面模式図である。It is an upper surface schematic diagram of the semiconductor device of 10th Embodiment.
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一の部材等には同一の符号を付し、一度説明した部材等については適宜その説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the same members and the like are denoted by the same reference numerals, and the description of the members and the like once described is omitted as appropriate.
また、本明細書中、半導体装置とは、ディスクリート半導体等の複数の素子が組み合わされたパワーモジュール、または、ディスクリート半導体等の複数の素子にこれらの素子を駆動する駆動回路や自己保護機能を組み込んだインテリジェントパワーモジュール、あるいは、パワーモジュールやインテリジェントパワーモジュールを備えたシステム全体を包含する概念である。   In this specification, a semiconductor device refers to a power module in which a plurality of elements such as discrete semiconductors are combined, or a drive circuit that drives these elements in a plurality of elements such as discrete semiconductors and a self-protection function. It is a concept that encompasses an intelligent power module, or an entire system with a power module or intelligent power module.
(第1の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、ソース端子と、ドレイン端子と、ゲート端子を備える。そして、ソース端子に接続される第1のソース、第1のドレイン、ゲート端子に接続される第1のゲートを有するノーマリーオフトランジスタと、第1のドレインに接続される第2のソース、ドレイン端子に接続される第2のドレイン、第2のゲートを有するノーマリーオントランジスタと、ゲート端子と第2のゲート間に設けられるコンデンサと、コンデンサと第2のゲート間に接続される第1のアノードと、第1のソースに接続される第1のカソードを有する第1のダイオードと、を備える。
(First embodiment)
The semiconductor device of this embodiment includes a source terminal, a drain terminal, and a gate terminal. A normally-off transistor having a first source connected to the source terminal, a first drain, and a first gate connected to the gate terminal, and a second source and drain connected to the first drain A normally-on transistor having a second drain connected to the terminal and a second gate, a capacitor provided between the gate terminal and the second gate, and a first connected between the capacitor and the second gate. An anode and a first diode having a first cathode connected to a first source.
図1は、本実施形態の半導体装置の回路図である。本実施形態の半導体装置は、例えば、定格電圧が600Vや1200Vのパワーモジュールである。   FIG. 1 is a circuit diagram of the semiconductor device of this embodiment. The semiconductor device of this embodiment is, for example, a power module having a rated voltage of 600V or 1200V.
本実施形態の半導体装置は、ノーマリーオフトランジスタ10と、ノーマリーオントランジスタ20が直列接続されてパワーモジュールを構成する。ノーマリーオフトランジスタ10は、例えば、Si(シリコン)の縦型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である。また、ノーマリーオントランジスタ20は、例えば、GaN(窒化ガリウム)系のHEMTである。ノーマリーオントランジスタ20は、ゲート絶縁膜を備える。   In the semiconductor device of this embodiment, a normally-off transistor 10 and a normally-on transistor 20 are connected in series to constitute a power module. The normally-off transistor 10 is, for example, a Si (silicon) vertical MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). The normally-on transistor 20 is, for example, a GaN (gallium nitride) HEMT. The normally-on transistor 20 includes a gate insulating film.
なお、ノーマリーオフトランジスタ10は、図示しない寄生ボディダイオードを備えている。   The normally-off transistor 10 includes a parasitic body diode (not shown).
ノーマリーオフトランジスタ10は、ノーマリーオントランジスタ20に比較して、素子耐圧が低い。ノーマリーオフトランジスタ10の素子耐圧は、例えば、10〜30Vである。また、ノーマリーオントランジスタ20の素子耐圧は、例えば、600〜1200Vである。   The normally-off transistor 10 has a lower element breakdown voltage than the normally-on transistor 20. The element breakdown voltage of the normally-off transistor 10 is, for example, 10 to 30V. Moreover, the element breakdown voltage of the normally-on transistor 20 is 600 to 1200 V, for example.
半導体装置は、ソース端子100と、ドレイン端子200と、ゲート端子300を備える。そして、ノーマリーオントランジスタ10は、ソース端子100に接続される第1のソース11と、第1のドレイン12、ゲート端子300に接続される第1のゲート13を有する。また、ノーマリーオントランジスタ20は、第1のドレイン12に接続される第2のソース21、ドレイン端子200に接続される第2のドレイン22、第2のゲート23を有する。   The semiconductor device includes a source terminal 100, a drain terminal 200, and a gate terminal 300. The normally-on transistor 10 includes a first source 11 connected to the source terminal 100, a first drain 12, and a first gate 13 connected to the gate terminal 300. The normally-on transistor 20 includes a second source 21 connected to the first drain 12, a second drain 22 connected to the drain terminal 200, and a second gate 23.
半導体装置は、ゲート端子300と第2のゲート23間に設けられるコンデンサ40を備える。また、コンデンサ40と第2のゲート23間に接続される第1のアノード31と、第1のソース11に接続される第1のカソード32を有する第1のダイオード30を備える。第1のダイオード30は、例えば、PiNダイオードまたはショットキーバリアダイオードである。   The semiconductor device includes a capacitor 40 provided between the gate terminal 300 and the second gate 23. In addition, a first diode 31 having a first anode 31 connected between the capacitor 40 and the second gate 23 and a first cathode 32 connected to the first source 11 is provided. The first diode 30 is, for example, a PiN diode or a Schottky barrier diode.
本実施形態の半導体装置は、上記構成により、ソース端子100と、ドレイン端子200と、ゲート端子300を備えるノーマリーオフトランジスタとして機能する。以下、本実施形態の半導体装置の動作について説明する。   The semiconductor device according to the present embodiment functions as a normally-off transistor including the source terminal 100, the drain terminal 200, and the gate terminal 300 with the above configuration. Hereinafter, the operation of the semiconductor device of this embodiment will be described.

まず、オン状態においては、ソース端子100には0V、ドレイン端子200には正の電圧、例えば、オン抵抗とドレイン電流の積が印加される。そして、ゲート端子300には正の電圧、例えば、10Vが印加される。

First, in the on state, 0 V is applied to the source terminal 100 and a positive voltage, for example, a product of on-resistance and drain current is applied to the drain terminal 200. A positive voltage, for example, 10 V is applied to the gate terminal 300.
この時、ノーマリーオフトランジスタ10の第1のゲート13には、正の電圧が印加される。このため、ノーマリーオフトランジスタ10はオンする。   At this time, a positive voltage is applied to the first gate 13 of the normally-off transistor 10. For this reason, the normally-off transistor 10 is turned on.
一方、ノーマリーオントランジスタ20の第2のゲート23は、第1のダイオード30を介してソース端子100にクランプされている。したがって、第2のゲート23は0V近傍の正の電圧、より正確には第1のダイオード30の順方向降下電圧(Vf)となる。第2のソース21は、ノーマリーオフトランジスタ10がオンしていることにより、0V近傍の電位となる。このため、ノーマリーオントランジスタ20もオンすることになる。よって、ソース端子100とドレイン端子200間に、オン電流が流れることになる。   On the other hand, the second gate 23 of the normally-on transistor 20 is clamped to the source terminal 100 via the first diode 30. Therefore, the second gate 23 becomes a positive voltage in the vicinity of 0 V, more precisely, the forward drop voltage (Vf) of the first diode 30. The second source 21 has a potential in the vicinity of 0 V because the normally-off transistor 10 is on. For this reason, the normally-on transistor 20 is also turned on. Therefore, an on-current flows between the source terminal 100 and the drain terminal 200.
次に、半導体装置がオン状態からオフ状態となる場合を考える。この場合、ソース端子100とドレイン端子200の印加電圧は変化せず、ゲート端子300の印加電圧が正の電圧から0V、例えば、10Vから0Vに降下する。   Next, consider a case where the semiconductor device changes from an on state to an off state. In this case, the applied voltage of the source terminal 100 and the drain terminal 200 does not change, and the applied voltage of the gate terminal 300 drops from a positive voltage to 0 V, for example, from 10 V to 0 V.
まず、ノーマリーオフトランジスタ10の第1のゲート13には、0Vが印加される。このため、ノーマリーオフトランジスタ10はオフする。   First, 0 V is applied to the first gate 13 of the normally-off transistor 10. For this reason, the normally-off transistor 10 is turned off.
一方、ノーマリーオントランジスタ20の第2のゲート23は、コンデンサ40が存在することから、ゲート端子300の振幅分だけ、電位が低下する。例えば、第1のダイオード30の順方向降下電圧(Vf)からゲート端子300の振幅分、例えば、10V低下し、(Vf−10)Vの負電位となる。そして、第2のゲート23がノーマリーオントランジスタ20の閾値以下となることにより、ノーマリーオントランジスタ20はオフする。よって、ソース端子100とドレイン端子200間の電流が遮断される。   On the other hand, the potential of the second gate 23 of the normally-on transistor 20 is reduced by the amplitude of the gate terminal 300 because the capacitor 40 is present. For example, the voltage drops from the forward drop voltage (Vf) of the first diode 30 by the amplitude of the gate terminal 300, for example, 10V, and becomes a negative potential of (Vf-10) V. Then, when the second gate 23 becomes equal to or lower than the threshold value of the normally-on transistor 20, the normally-on transistor 20 is turned off. Therefore, the current between the source terminal 100 and the drain terminal 200 is cut off.
本実施形態の半導体装置は、以上のように、ソース端子100と、ドレイン端子200と、ゲート端子300を備えるノーマリーオフトランジスタとして機能する。   As described above, the semiconductor device of this embodiment functions as a normally-off transistor including the source terminal 100, the drain terminal 200, and the gate terminal 300.
なお、本実施形態の半導体装置では、オン状態からオフ状態に移行する際に、ノーマリーオフトランジスタ10よりもノーマリーオントランジスタ20が先にオフするように構成される。ノーマリーオントランジスタ20が先にオフすることにより、ノーマリーオフトランジスタ10とノーマリーオントランジスタ20との間、すなわち、第1のドレイン12および第2のソース21(以下、接続部とも称する)に過電圧が生じることが抑制される。   Note that the semiconductor device of the present embodiment is configured such that the normally-on transistor 20 is turned off before the normally-off transistor 10 when shifting from the on state to the off state. When the normally-on transistor 20 is turned off first, it is between the normally-off transistor 10 and the normally-on transistor 20, that is, between the first drain 12 and the second source 21 (hereinafter also referred to as a connection portion). The occurrence of overvoltage is suppressed.
なぜなら、ノーマリーオントランジスタ20が先にオフすることで、例え接続部の電位が過渡電流により上昇したとしても、オンしているノーマリーオフトランジスタ10により、ソース端子100に電荷を逃すことができるからである。   This is because even when the normally-on transistor 20 is turned off first, the normally-off transistor 10 that is turned on can release charge to the source terminal 100 even if the potential of the connection portion rises due to a transient current. Because.
図2は、比較形態の半導体装置の回路図である。比較形態の半導体装置は、ノーマリーオフトランジスタ10と、ノーマリーオントランジスタ20がカスコード接続された回路構成である。ノーマリーオフトランジスタ10と、ノーマリーオントランジスタ20は実施形態と同様のトランジスタである。   FIG. 2 is a circuit diagram of a comparative semiconductor device. The comparative semiconductor device has a circuit configuration in which a normally-off transistor 10 and a normally-on transistor 20 are cascode-connected. The normally-off transistor 10 and the normally-on transistor 20 are the same transistors as in the embodiment.
この半導体装置は、ソース端子100と、ドレイン端子200と、ゲート端子300を備える。そして、ノーマリーオントランジスタ10は、ソース端子100に接続される第1のソース11と、第1のドレイン12、ゲート端子300に接続される第1のゲート13を有する。また、ノーマリーオントランジスタ20は、第1のドレイン12に接続される第2のソース21、ドレイン端子200に接続される第2のドレイン22、ソース端子100に接続される第2のゲート23を有する。   This semiconductor device includes a source terminal 100, a drain terminal 200, and a gate terminal 300. The normally-on transistor 10 includes a first source 11 connected to the source terminal 100, a first drain 12, and a first gate 13 connected to the gate terminal 300. The normally-on transistor 20 includes a second source 21 connected to the first drain 12, a second drain 22 connected to the drain terminal 200, and a second gate 23 connected to the source terminal 100. Have.
比較形態の半導体装置も、上記構成により、ソース端子100と、ドレイン端子200と、ゲート端子300を備えるノーマリーオフトランジスタとして機能する。   The semiconductor device of the comparative mode also functions as a normally-off transistor including the source terminal 100, the drain terminal 200, and the gate terminal 300 with the above structure.
比較形態の回路構成では、ノーマリーオフトランジスタ10とノーマリーオントランジスタ20の接続部、すなわち、ノーマリーオフトランジスタ10の第1のドレイン12、または、ノーマリーオントランジスタ20の第2のソース21に、デバイス動作中に過電圧が生じるおそれがある。過電圧は、例えば、半導体装置がオン状態からオフ状態に移行する際に過渡電流が発生し、ソース端子100とドレイン端子200との間に印加されている高電圧が、ノーマリーオフトランジスタ10とノーマリーオントランジスタ20の寄生容量の比で分圧されることによって生じ得る。   In the circuit configuration of the comparative form, the connection portion of the normally-off transistor 10 and the normally-on transistor 20, that is, the first drain 12 of the normally-off transistor 10 or the second source 21 of the normally-on transistor 20 is used. Overvoltage may occur during device operation. For example, a transient current is generated when the semiconductor device shifts from an on state to an off state, and an overvoltage is generated when the high voltage applied between the source terminal 100 and the drain terminal 200 is the normally off transistor 10 and the no voltage. This may be caused by voltage division by the ratio of the parasitic capacitance of the mary-on transistor 20.
比較形態の場合には、オン状態からオフ状態に移行する時、まず、ノーマリーオフトランジスタ10がオフした後、接続部の電圧が上昇し、0Vにクランプされている第2のゲート23と第2のソース21間の電位差が閾値に達した時にノーマリーオントランジスタ20がオフする。したがって、接続部の電位が過渡電流により上昇すると、電荷を逃がす経路がないため接続部の過電圧が生じることになる。   In the case of the comparative form, when the transition is made from the on state to the off state, first, the normally-off transistor 10 is turned off, and then the voltage at the connection portion rises and the second gate 23 clamped to 0V and the second gate 23 When the potential difference between the two sources 21 reaches the threshold value, the normally-on transistor 20 is turned off. Therefore, when the potential of the connection portion rises due to a transient current, there is no path for releasing charge, and an overvoltage of the connection portion is generated.
過電圧が生じると、ノーマリーオントランジスタ20の第2のソース21と、第2のゲート23との間に高電圧が印加される。この過電圧が、ゲート絶縁膜の耐圧以上となると、ノーマリーオントランジスタ20のゲート絶縁膜のリーク電流が増大する、あるいは、破壊されるおそれがある。ノーマリーオントランジスタ20のゲート絶縁膜のリーク電流が増大する、あるいは、ゲート絶縁膜が破壊されると半導体装置が動作不良となる。このため、半導体装置の信頼性が低下する。   When an overvoltage occurs, a high voltage is applied between the second source 21 of the normally-on transistor 20 and the second gate 23. If this overvoltage exceeds the breakdown voltage of the gate insulating film, the leakage current of the gate insulating film of the normally-on transistor 20 may increase or be destroyed. When the leakage current of the gate insulating film of the normally-on transistor 20 increases or the gate insulating film is destroyed, the semiconductor device malfunctions. For this reason, the reliability of a semiconductor device falls.
また、ゲート絶縁膜に問題が生じない場合であっても、ノーマリーオントランジスタ20の第2のソース21と、第2のゲート23との間に高電圧が印加されることで、第2のソース21側に電荷がトラップされる。これにより、電流コラプスが生じるおそれがある。電流コラプスが生じるとオン電流が低下するため動作不良となる。したがって、半導体装置の信頼性がやはり低下する。   Even when there is no problem with the gate insulating film, a high voltage is applied between the second source 21 of the normally-on transistor 20 and the second gate 23, so that the second Charges are trapped on the source 21 side. As a result, current collapse may occur. When current collapse occurs, the on-current decreases, resulting in malfunction. Therefore, the reliability of the semiconductor device is also lowered.
本実施形態では、上述のように、例え接続部の電位が過渡電流により上昇したとしても、オンしているノーマリーオフトランジスタ10により、ソース端子100に電荷を逃すことができる。このため、接続部の過電圧が原理的に生じない。したがって、ノーマリーオントランジスタ20のゲート絶縁膜のリーク電流の増大、ゲート絶縁膜の破壊が防止される。また、電流コラプスも防止される。よって、半導体装置の信頼性が向上する。   In the present embodiment, as described above, even if the potential of the connection portion rises due to a transient current, the normally-off transistor 10 that is turned on can release charge to the source terminal 100. For this reason, the overvoltage of a connection part does not arise in principle. Therefore, an increase in leakage current of the gate insulating film of the normally-on transistor 20 and destruction of the gate insulating film are prevented. Also, current collapse is prevented. Therefore, the reliability of the semiconductor device is improved.
図3は、本実施形態の半導体装置の効果を示す図である。本実施形態と比較形態の回路で、オン−オフ動作を繰り返した際の接続部の電圧変化をシミュレーションした結果である。   FIG. 3 is a diagram showing the effect of the semiconductor device of this embodiment. It is the result of having simulated the voltage change of the connection part at the time of repeating on-off operation | movement with the circuit of this embodiment and a comparison form.
実線が実施形態の場合、点線が比較形態の場合である。比較形態ではオフ時に接続部に高い過電圧が生じるのに対し、実施形態では過電圧が効果的に抑制されていることがわかる。   When the solid line is the embodiment, the dotted line is the comparative form. It can be seen that in the comparative embodiment, a high overvoltage is generated at the connection portion when the switch is off, whereas in the embodiment, the overvoltage is effectively suppressed.
もっとも、本実施形態では、半導体装置のオフ状態において、ノーマリーオントランジスタ20の第2のゲート23には直接電圧が印加されていない。したがって、ゲートリーク電流やダイオード30のリーク電流等により、第2のゲート23の電圧が、負電圧から徐々に0Vに向けて上昇するおそれがある。   However, in this embodiment, no voltage is directly applied to the second gate 23 of the normally-on transistor 20 in the off state of the semiconductor device. Therefore, the voltage of the second gate 23 may gradually increase from a negative voltage toward 0 V due to a gate leakage current, a leakage current of the diode 30, or the like.
第2のゲート23の電圧が上昇すると、ノーマリーオントランジスタ20の第2のソース21と第2のドレイン間のリーク電流も上昇する。ノーマリーオフトランジスタ10はオフのままであるため、第2のソース21(第1のドレイン12、接続部)の電圧が上昇する。そうすると、第2のソース21と第2のゲート間の電位差が大きくなり、ノーマリーオントランジスタ20がオフして、第2のソース21と第2のドレイン間のリーク電流が遮断される。よって、半導体装置のオフ状態が保たれることになる。   When the voltage of the second gate 23 increases, the leakage current between the second source 21 and the second drain of the normally-on transistor 20 also increases. Since the normally-off transistor 10 remains off, the voltage of the second source 21 (first drain 12, connection portion) increases. Then, the potential difference between the second source 21 and the second gate is increased, the normally-on transistor 20 is turned off, and the leakage current between the second source 21 and the second drain is cut off. Therefore, the semiconductor device is kept off.
本実施形態において、ノーマリーオフトランジスタ10のゲート電極材料のシート抵抗よりも、ノーマリーオントランジスタ20のシート抵抗が低いことが望ましい。オン状態からオフ状態に移行する際に、ノーマリーオフトランジスタ10よりもノーマリーオントランジスタ20が先にオフする構成とすることが容易だからである。   In the present embodiment, it is desirable that the sheet resistance of the normally-on transistor 20 is lower than the sheet resistance of the gate electrode material of the normally-off transistor 10. This is because the normally-on transistor 20 can be easily turned off before the normally-off transistor 10 when shifting from the on state to the off state.
また、オフ状態からオン状態に移行する際に、ノーマリーオントランジスタ20よりもノーマリーオフトランジスタ10が先にオンする構成とすることが望ましい。仮に、ノーマリーオントランジスタ20が先にオンすると、第1のドレイン12(第2のソース21、接続部)に高電圧がかかり、ノーマリーオフトランジスタ10の特性が劣化するおそれがあるからである。   In addition, it is desirable that the normally-off transistor 10 is turned on before the normally-on transistor 20 when shifting from the off state to the on state. If the normally-on transistor 20 is turned on first, a high voltage is applied to the first drain 12 (second source 21, connection portion), and the characteristics of the normally-off transistor 10 may be deteriorated. .
また、コンデンサ40の容量は、ノーマリーオントランジスタ20の入力容量の10倍以上100倍以下であることが望ましい。ノーマリーオントランジスタ20の第2のゲート23に印加される負電圧は、コンデンサ40の容量とノーマリーオントランジスタ20の入力容量の比によって決まる。このため、コンデンサ40の容量が大きい方が望ましい。   Further, the capacity of the capacitor 40 is desirably 10 to 100 times the input capacity of the normally-on transistor 20. The negative voltage applied to the second gate 23 of the normally on transistor 20 is determined by the ratio of the capacitance of the capacitor 40 and the input capacitance of the normally on transistor 20. For this reason, it is desirable that the capacitance of the capacitor 40 is large.
コンデンサ40の容量が、ノーマリーオントランジスタ20の入力容量の10倍以上あれば、ゲート端子300に印加される振幅のうち9割以上を印加することが可能である。また、100倍を超えるとコンデンサが大きくなりすぎるため半導体装置のサイズの増大が懸念される。   If the capacitance of the capacitor 40 is 10 times or more the input capacitance of the normally-on transistor 20, 90% or more of the amplitude applied to the gate terminal 300 can be applied. Moreover, since the capacitor becomes too large when it exceeds 100 times, there is a concern that the size of the semiconductor device increases.
なお、ノーマリーオントランジスタ20の入力容量とは、第2のゲート23と、第2のソース21および第2のドレイン22間の容量である。入力容量は、第2のソース21と第2のドレイン22とのバイアスが0V、かつ、ピンチオフ状態の値とする。   Note that the input capacitance of the normally-on transistor 20 is a capacitance between the second gate 23 and the second source 21 and the second drain 22. The input capacitance is a value in which the bias between the second source 21 and the second drain 22 is 0 V and the pinch off state is set.
また、本実施形態では、比較形態と異なり、特にオンからオフへのスイッチング速度は、スイチング速度の速いGaN系HEMTのノーマリーオントランジスタ20で規定される。したがって、スイチング速度の速い半導体装置が実現可能である。   Further, in this embodiment, unlike the comparative embodiment, the switching speed from on to off is specified by the normally-on transistor 20 of GaN-based HEMT having a high switching speed. Therefore, a semiconductor device having a high switching speed can be realized.
また、ノーマリーオフトランジスタ10のアバランシェ降伏電圧を、ノーマリーオントランジスタ20のゲート絶縁膜の耐圧よりも低くすることが望ましい。これにより、ノーマリーオフトランジスタのオフ時の第1のソースと第1のドレイン間の耐圧を、ノーマリーオントランジスタの第2のソースと第2のゲート間の耐圧よりも低くする。   In addition, it is desirable that the avalanche breakdown voltage of the normally-off transistor 10 is lower than the breakdown voltage of the gate insulating film of the normally-on transistor 20. As a result, the breakdown voltage between the first source and the first drain when the normally-off transistor is off is made lower than the breakdown voltage between the second source and the second gate of the normally-on transistor.
そうすると、例えば、サージ等により接続部に過電圧が生じた場合であっても、ノーマリーオフトランジスタ10のアバランシェ降伏が生じることにより、接続部の電荷を逃がすことができる。したがって、ノーマリーオントランジスタ20の第2のソース21と、第2のゲート23との間に印加される電圧を、ノーマリーオントランジスタ20のゲート絶縁膜の耐圧より低くすることが可能となる。したがって、ノーマリーオントランジスタ20のゲート絶縁膜のリーク電流の増大、ゲート絶縁膜の破壊が防止される。また、電流コラプスも防止される。よって、半導体装置の信頼性が向上する。   Then, for example, even when an overvoltage is generated in the connection part due to a surge or the like, the avalanche breakdown of the normally-off transistor 10 can occur, so that the charge in the connection part can be released. Therefore, the voltage applied between the second source 21 of the normally-on transistor 20 and the second gate 23 can be made lower than the breakdown voltage of the gate insulating film of the normally-on transistor 20. Therefore, an increase in leakage current of the gate insulating film of the normally-on transistor 20 and destruction of the gate insulating film are prevented. Also, current collapse is prevented. Therefore, the reliability of the semiconductor device is improved.
なお、一般に、ノーマリーオントランジスタ20のゲート絶縁膜の耐圧は30Vを超える。したがって、ノーマリーオフトランジスタ10のアバランシェ降伏電圧は30V以下であることが望ましい。   In general, the breakdown voltage of the gate insulating film of normally-on transistor 20 exceeds 30V. Therefore, the avalanche breakdown voltage of normally-off transistor 10 is desirably 30 V or less.
また、アバランシェ降伏電圧は、ノーマリーオントランジスタ20の閾値(Vth)の絶対値よりも十分高いことが望ましい。ノーマリーオントランジスタ20を確実にオフできるようにするためである。この観点からノーマリーオフトランジスタ10のアバランシェ降伏電圧は、ノーマリーオントランジスタ20の閾値(Vth)の絶対値+5V以上あることが望ましい。仮に、Vth=−10Vの場合、ノーマリーオフトランジスタ10のアバランシェ降伏電圧は、15V以上であることが望ましい。   The avalanche breakdown voltage is desirably sufficiently higher than the absolute value of the threshold value (Vth) of the normally-on transistor 20. This is to ensure that the normally-on transistor 20 can be turned off reliably. From this point of view, it is desirable that the avalanche breakdown voltage of the normally-off transistor 10 is not less than the absolute value of the threshold value (Vth) of the normally-on transistor 20 + 5V or more. If Vth = −10V, it is desirable that the avalanche breakdown voltage of the normally-off transistor 10 is 15V or more.
(第2の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、複数の第1のダイオードが直列接続される以外は、第1の実施形態と同様である。したがって、第1の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
(Second Embodiment)
The semiconductor device of this embodiment is the same as that of the first embodiment except that a plurality of first diodes are connected in series. Therefore, description of the contents overlapping with those of the first embodiment is omitted.
図4は、本実施形態の半導体装置の回路図である。本実施形態の半導体装置は、2個の第1のダイオード30が直列接続されている。   FIG. 4 is a circuit diagram of the semiconductor device of this embodiment. In the semiconductor device of this embodiment, two first diodes 30 are connected in series.
本実施形態によれば、半導体装置のオン状態では、第1のダイオード30の順方向降下電圧(Vf)×2の電圧が第2のゲート23に印加されることになる。したがって、ノーマリーオントランジスタ20のオーバードライブが可能となりオン電流を増加させることが可能である。   According to the present embodiment, in the ON state of the semiconductor device, the voltage of the forward drop voltage (Vf) × 2 of the first diode 30 is applied to the second gate 23. Therefore, the normally-on transistor 20 can be overdriven and the on-current can be increased.
また、半導体装置のオン状態で、ノーマリーオフトランジスタ10のドレイン電流×オン抵抗分、第2のソース21の電圧が持ち上がったとしても、第1のダイオード30の順方向降下電圧(Vf)×2の電圧が第2のゲート23に印加されることで、導通損失を抑制することが可能となる。   Further, even when the voltage of the second source 21 is raised by the drain current × on-resistance of the normally-off transistor 10 in the on state of the semiconductor device, the forward drop voltage (Vf) × 2 of the first diode 30. This voltage is applied to the second gate 23, so that conduction loss can be suppressed.
なお、ここでは2個の第1のダイオード30を直列接続する場合を例に説明したが、直列接続される第1のダイオード30の数は、3個以上であってもかまわない。n(nは2以上の整数)個の場合、第1のダイオード30の順方向降下電圧(Vf)×nの電圧が第2のゲート23に印加されることになる。   Here, the case where two first diodes 30 are connected in series has been described as an example, but the number of first diodes 30 connected in series may be three or more. In the case of n (n is an integer of 2 or more), the voltage of the forward drop voltage (Vf) × n of the first diode 30 is applied to the second gate 23.
本実施形態によれば、第1の実施形態の効果に加え、オン電流の増大、または、導通損失の低減を実現することが可能となる。   According to the present embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, it is possible to realize an increase in on-current or a reduction in conduction loss.
(第3の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、ゲート端子とコンデンサとの間に一端が接続され、他端が第1のゲートに接続される第1の抵抗素子を、さらに備えること以外は第1の実施形態と同様である。したがって、第1の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
(Third embodiment)
The semiconductor device of this embodiment is the same as that of the first embodiment except that the semiconductor device further includes a first resistance element having one end connected between the gate terminal and the capacitor and the other end connected to the first gate. It is the same. Therefore, description of the contents overlapping with those of the first embodiment is omitted.
図5は、本実施形態の半導体装置の回路図である。   FIG. 5 is a circuit diagram of the semiconductor device of this embodiment.
本実施形態の半導体装置は、ゲート端子300とコンデンサ40との間に一端が接続され、他端が第1のゲート13に接続される第1の抵抗素子50を備えている。   The semiconductor device of this embodiment includes a first resistance element 50 having one end connected between the gate terminal 300 and the capacitor 40 and the other end connected to the first gate 13.
接続部の過電圧抑制の観点から、オン状態からオフ状態に移行する際に、ノーマリーオフトランジスタ10よりもノーマリーオントランジスタ20が先にオフする。第1の抵抗素子50を設けることにより、ノーマリーオフトランジスタ10のオフタイミングと、ノーマリーオントランジスタ20のオフタイミングを所望の時間だけ遅延させることができる。   From the viewpoint of suppressing the overvoltage of the connection portion, the normally-on transistor 20 is turned off earlier than the normally-off transistor 10 when shifting from the on state to the off state. By providing the first resistance element 50, the off timing of the normally-off transistor 10 and the off timing of the normally-on transistor 20 can be delayed by a desired time.
第1の抵抗素子50の抵抗は、1Ω以上100Ω以下であることが望ましい。この範囲を下回ると有意な遅延時間とならないおそれがある。この範囲を上回ると遅延時間が長くなりすぎ、半導体装置のスイッチング速度が低下するため望ましくない。   The resistance of the first resistance element 50 is preferably 1Ω or more and 100Ω or less. Below this range, there is a possibility that a significant delay time may not be achieved. If it exceeds this range, the delay time becomes too long, and the switching speed of the semiconductor device decreases, which is not desirable.
本実施形態によれば、第1の実施形態の効果に加え、ノーマリーオフトランジスタ10とノーマリーオントランジスタ20のオフタイミングを調整することで、安定した動作が可能となる。   According to the present embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, a stable operation can be performed by adjusting the off timing of the normally-off transistor 10 and the normally-on transistor 20.
(第4の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、ゲート端子に接続される第2のアノードと、第1のゲートに接続される第2のカソードを有し、ゲート端子と第1のゲートとの間に、第1の抵抗素子と並列に設けられる第2のダイオードを、さらに備えること以外は第3の実施形態と同様である。したがって、第1および第3の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
(Fourth embodiment)
The semiconductor device of the present embodiment has a second anode connected to the gate terminal and a second cathode connected to the first gate, and the first anode is between the gate terminal and the first gate. This embodiment is the same as the third embodiment except that a second diode provided in parallel with the resistor element is further provided. Therefore, the description overlapping with the first and third embodiments is omitted.
図6は、本実施形態の半導体装置の回路図である。   FIG. 6 is a circuit diagram of the semiconductor device of this embodiment.
本実施形態の半導体装置は、ゲート端子300と第1のゲート13との間に、第2のダイオード60が、第1の抵抗素子50と並列に設けられる。第2のダイオード60の第2のアノード61はゲート端子300に接続され、第2のカソード62は、第1のゲート13に接続される。第2のダイオード60は、例えば、PiNダイオードまたはショットキーバリアダイオードである。   In the semiconductor device of the present embodiment, the second diode 60 is provided in parallel with the first resistance element 50 between the gate terminal 300 and the first gate 13. The second anode 61 of the second diode 60 is connected to the gate terminal 300, and the second cathode 62 is connected to the first gate 13. The second diode 60 is, for example, a PiN diode or a Schottky barrier diode.
オフ状態からオン状態に移行する際に、ノーマリーオントランジスタ20よりもノーマリーオフトランジスタ10が先にオンすることが望ましい。仮に、ノーマリーオントランジスタ20が先にオンすると、第1のドレイン12(第2のソース21、接続部)に高電圧がかかり、ノーマリーオフトランジスタ10の特性が劣化するおそれがあるからである。   When shifting from the off state to the on state, it is preferable that the normally-off transistor 10 is turned on before the normally-on transistor 20. If the normally-on transistor 20 is turned on first, a high voltage is applied to the first drain 12 (second source 21, connection portion), and the characteristics of the normally-off transistor 10 may be deteriorated. .
本実施形態によれば、オフ状態からオン状態に移行する際には、電流が第2のダイオード60を流れる。このため、第1の抵抗素子50の影響を受けないため、第1のゲート13が速やかに充電できる。したがって、ノーマリーオフトランジスタ10のオンタイミングが、第2のダイオード60がない場合に比べて早くなる。よって、オフ状態からオン状態に移行する際に、ノーマリーオントランジスタ20よりもノーマリーオフトランジスタ10を確実に先にオンさせることが可能となる。   According to the present embodiment, a current flows through the second diode 60 when shifting from the off state to the on state. For this reason, since it is not influenced by the 1st resistive element 50, the 1st gate 13 can be charged rapidly. Therefore, the on-timing of the normally-off transistor 10 is earlier than when the second diode 60 is not provided. Therefore, it is possible to reliably turn on the normally-off transistor 10 before the normally-on transistor 20 when shifting from the off state to the on state.
本実施形態によれば、第3の実施形態の効果に加え、ノーマリーオフトランジスタ10に対する保護が強化され、さらに信頼性が向上する。   According to the present embodiment, in addition to the effects of the third embodiment, protection against the normally-off transistor 10 is enhanced, and the reliability is further improved.
(第5の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、ゲート端子と、コンデンサおよび第1のゲートとの間に設けられる第2の抵抗素子を、さらに備えること以外は第4の実施形態と同様である。したがって、第4の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
(Fifth embodiment)
The semiconductor device of this embodiment is the same as that of the fourth embodiment, except that it further includes a second resistance element provided between the gate terminal, the capacitor, and the first gate. Therefore, the description overlapping with the fourth embodiment is omitted.
図7は、本実施形態の半導体装置の回路図である。   FIG. 7 is a circuit diagram of the semiconductor device of this embodiment.
本実施形態の半導体装置は、ゲート端子300と、コンデンサ40および第1のゲート13との間に設けられる第2の抵抗素子70を備えている。   The semiconductor device of this embodiment includes a second resistance element 70 provided between the gate terminal 300 and the capacitor 40 and the first gate 13.
パワーエレクトロニクスの回路設計においては、ノイズ対策のためにトランジスタの動作速度の調整が求められる場合がある。本実施形態では、第2の抵抗素子70を設けることで、ゲート端子300に印加されるゲート電圧の、第1のゲート13、第2のゲート23への伝搬を遅延させることができる。したがって、半導体装置の動作速度(スイッチング速度)を調整することが可能となる。   In the circuit design of power electronics, there are cases where adjustment of the operation speed of the transistor is required for noise countermeasures. In the present embodiment, by providing the second resistance element 70, the propagation of the gate voltage applied to the gate terminal 300 to the first gate 13 and the second gate 23 can be delayed. Therefore, it is possible to adjust the operation speed (switching speed) of the semiconductor device.
なお、ここでは、第1の抵抗素子50や第2のダイオード60を備える回路を例に説明したが、第1の抵抗素子50や第2のダイオード60のない回路構成とすることも可能である。   In addition, although the circuit provided with the 1st resistance element 50 and the 2nd diode 60 was demonstrated to the example here, it is also possible to set it as the circuit structure without the 1st resistance element 50 and the 2nd diode 60. FIG. .
本実施形態によれば、第4の実施形態の効果に加え、半導体装置の動作速度(スイッチング速度)を調整することが可能となる。   According to the present embodiment, in addition to the effects of the fourth embodiment, it is possible to adjust the operation speed (switching speed) of the semiconductor device.
(第6の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、コンデンサと第2のゲートとの間に設けられる第3の抵抗素子を、さらに備えること以外は第4の実施形態と同様である。したがって、第4の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
(Sixth embodiment)
The semiconductor device of the present embodiment is the same as that of the fourth embodiment except that a third resistance element provided between the capacitor and the second gate is further provided. Therefore, the description overlapping with the fourth embodiment is omitted.
図8は、本実施形態の半導体装置の回路図である。   FIG. 8 is a circuit diagram of the semiconductor device of this embodiment.
本実施形態の半導体装置は、コンデンサ40と第2のゲート23との間に、第3の抵抗素子55を備えている。   The semiconductor device of this embodiment includes a third resistance element 55 between the capacitor 40 and the second gate 23.
上述のように、パワーエレクトロニクスの回路設計においては、ノイズ対策のためにトランジスタの動作速度の調整が求められる場合がある。本実施形態では、第3の抵抗素子55を設けることで、ゲート端子300に印加されるゲート電圧の第2のゲート23への伝搬を遅延させることができる。ゲート電圧の第1のゲート13への伝搬は、第1の抵抗素子50の抵抗で独立に調整することが可能である。したがって、半導体装置の動作速度(スイッチング速度)を調整することが可能となる。   As described above, in the circuit design of power electronics, adjustment of the operation speed of the transistor may be required for noise countermeasures. In the present embodiment, by providing the third resistance element 55, the propagation of the gate voltage applied to the gate terminal 300 to the second gate 23 can be delayed. The propagation of the gate voltage to the first gate 13 can be adjusted independently by the resistance of the first resistance element 50. Therefore, it is possible to adjust the operation speed (switching speed) of the semiconductor device.
本実施形態によれば、第4の実施形態の効果に加え、半導体装置の動作速度(スイッチング速度)を調整することが可能となる。   According to the present embodiment, in addition to the effects of the fourth embodiment, it is possible to adjust the operation speed (switching speed) of the semiconductor device.
(第7の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、第1のソースに接続される第3のアノードと、第1のドレインおよび第2のソースに接続される第3のカソードを有し、順方向降下電圧が、ノーマリーオフトランジスタの寄生ボディダイオードの順方向降下電圧よりも低いショットキーバリアダイオードを、さらに備えること以外は第1の実施形態と同様である。したがって、第1の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
(Seventh embodiment)
The semiconductor device of the present embodiment has a third anode connected to the first source, and a third cathode connected to the first drain and the second source, and the forward voltage drop is no The second embodiment is the same as the first embodiment except that a Schottky barrier diode lower than the forward drop voltage of the parasitic body diode of the Mary-off transistor is further provided. Therefore, description of the contents overlapping with those of the first embodiment is omitted.
図9は、本実施形態の半導体装置の回路図である。本実施形態の半導体装置は、ノーマリーオフトランジスタ10に対して並列にショットキーバリアダイオード80が設けられる。   FIG. 9 is a circuit diagram of the semiconductor device of this embodiment. In the semiconductor device of this embodiment, a Schottky barrier diode 80 is provided in parallel with the normally-off transistor 10.
ショットキーバリアダイオード80は、第3のアノード81と第3のカソード82とを備える。そして、第3のアノード81は第1のソース11に接続される。また、第3のカソード82は、第1のドレイン12および第2のソース21に接続される。   The Schottky barrier diode 80 includes a third anode 81 and a third cathode 82. The third anode 81 is connected to the first source 11. The third cathode 82 is connected to the first drain 12 and the second source 21.
ショットキーバリアダイオード80の順方向降下電圧(Vf)は、ノーマリーオフトランジスタの寄生ボディダイオード(図示せず)の順方向降下電圧(Vf)よりも低い。   The forward voltage drop (Vf) of the Schottky barrier diode 80 is lower than the forward voltage drop (Vf) of the parasitic body diode (not shown) of the normally-off transistor.
ショットキーバリアダイオード80を設けない場合には、ソース端子100がドレイン端子200に対し正の電圧となる還流モード時に、電流はノーマリーオフトランジスタ10の寄生ボディダイオードを流れる。本実施形態では、ノーマリーオフトランジスタ10の寄生ボディダイオードの順方向降下電圧(Vf)よりも低い順方向降下電圧(Vf)を有するショットキーバリアダイオード80を設ける。これにより、還流モード時に電流はショットキーバリアダイオード80を流れる。   When the Schottky barrier diode 80 is not provided, current flows through the parasitic body diode of the normally-off transistor 10 in the reflux mode in which the source terminal 100 has a positive voltage with respect to the drain terminal 200. In this embodiment, a Schottky barrier diode 80 having a forward voltage drop (Vf) lower than the forward voltage drop (Vf) of the parasitic body diode of the normally-off transistor 10 is provided. Thereby, current flows through the Schottky barrier diode 80 in the reflux mode.
ショットキーバリアダイオードは、PiNダイオードと異なり多数キャリアのみを用いて動作する。したがって、PiNダイオードと比較してリカバリー特性に優れる。よって、本実施形態では、第1の実施形態の効果に加え、還流モード時のリカバリー特性を向上させることが可能となる。また、順方向降下電圧(Vf)が小さいため、還流モード時の導通損失やスイッチング損失も低減することが可能である。また、ショットキーバリアダイオード80の寄生容量により、接続部でのサージ等による過電圧の印加が抑制される。また、ショットキーバリアダイオード80のリーク電流によって、接続部から電荷を逃すことできるため、接続部の過電圧の印加が抑制される。したがって、さらに信頼性の向上した半導体装置が実現される。また、ショットキーバリアダイオード80のリーク電流によって、ノーマリーオフトランジスタ10の第1のドレイン12の電圧上昇も抑制される。よって、安定した動作も実現される。   Unlike a PiN diode, a Schottky barrier diode operates using only majority carriers. Therefore, the recovery characteristic is excellent compared to the PiN diode. Therefore, in this embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, it is possible to improve the recovery characteristics in the reflux mode. Further, since the forward voltage drop (Vf) is small, it is possible to reduce conduction loss and switching loss in the reflux mode. Further, due to the parasitic capacitance of the Schottky barrier diode 80, application of overvoltage due to a surge or the like at the connection portion is suppressed. In addition, since the charge can be released from the connection portion due to the leakage current of the Schottky barrier diode 80, application of overvoltage at the connection portion is suppressed. Therefore, a semiconductor device with further improved reliability is realized. Further, due to the leakage current of the Schottky barrier diode 80, the voltage rise of the first drain 12 of the normally-off transistor 10 is also suppressed. Therefore, stable operation is also realized.
なお、ショットキーバリアダイオードは、アバランシェ保証がないため、ショットキーバリアダイオード80の耐圧は、ノーマリーオフトランジスタ10のアバランシェ降伏電圧よりも高いことが望ましい。   Since the Schottky barrier diode does not have an avalanche guarantee, it is desirable that the breakdown voltage of the Schottky barrier diode 80 is higher than the avalanche breakdown voltage of the normally-off transistor 10.
(第8の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、第1のソースに接続される第4のアノードと、第1のドレインおよび第2のソースに接続される第4のカソードを有し、ツェナー電圧がノーマリーオントランジスタの第2のソースと第2のゲート間の耐圧よりも低く、ツェナー電圧がノーマリーオフトランジスタのアバランシェ降伏電圧よりも低いツェナーダイオードを、さらに備えること以外は第1の実施形態と同様である。したがって、第1の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
(Eighth embodiment)
The semiconductor device of the present embodiment has a fourth anode connected to the first source, a fourth cathode connected to the first drain and the second source, and the Zener voltage is a normally-on transistor. The second embodiment is the same as the first embodiment except that it further includes a Zener diode having a lower breakdown voltage between the second source and the second gate and a Zener voltage lower than the avalanche breakdown voltage of the normally-off transistor. Therefore, description of the contents overlapping with those of the first embodiment is omitted.
図10は、本実施形態の半導体装置の回路図である。本実施形態の半導体装置は、ノーマリーオフトランジスタ10に対して並列にツェナーダイオード85が設けられる。   FIG. 10 is a circuit diagram of the semiconductor device of this embodiment. In the semiconductor device of this embodiment, a Zener diode 85 is provided in parallel with the normally-off transistor 10.
ツェナーダイオード85は、第4のアノード86と第4のカソード87を有する。第4のアノード86は、第1のソース11に接続される。また、第4のカソード87は、第1のドレイン12および第2のソース21に接続される。   The Zener diode 85 has a fourth anode 86 and a fourth cathode 87. The fourth anode 86 is connected to the first source 11. The fourth cathode 87 is connected to the first drain 12 and the second source 21.
ツェナーダイオード85のツェナー電圧が、ノーマリーオフトランジスタ10のアバランシェ降伏電圧よりも低くなるよう設定される。また、ツェナー電圧は、ノーマリーオントランジスタ20のゲート絶縁膜の耐圧より低く設定される。これにより、ノーマリーオフトランジスタ10のオフ時の第1のソース11と第1のドレイン12間の耐圧が、ノーマリーオントランジスタ20の第2のソース21と第2のゲート23間の耐圧よりも低くなる。   The Zener voltage of the Zener diode 85 is set to be lower than the avalanche breakdown voltage of the normally-off transistor 10. The zener voltage is set lower than the breakdown voltage of the gate insulating film of the normally-on transistor 20. Thus, the withstand voltage between the first source 11 and the first drain 12 when the normally-off transistor 10 is off is higher than the withstand voltage between the second source 21 and the second gate 23 of the normally-on transistor 20. Lower.
本実施形態の半導体装置では、ノーマリーオフトランジスタ10とノーマリーオントランジスタ20の接続部にサージ等による過電圧が生じた場合、過電圧がツェナー電圧に達した時点で、電荷がツェナーダイオード85に逃がされ、ソース端子100へと抜ける。したがって、接続部の電圧上昇が抑制され、ノーマリーオントランジスタ20のゲート絶縁膜のリーク電流の増大、ゲート絶縁膜の破壊が防止される。また、電流コラプスも防止される。よって、半導体装置の信頼性が向上する。   In the semiconductor device of the present embodiment, when an overvoltage due to a surge or the like occurs at the connection portion between the normally-off transistor 10 and the normally-on transistor 20, the charge escapes to the Zener diode 85 when the overvoltage reaches the Zener voltage. And exits to the source terminal 100. Accordingly, a rise in voltage at the connection portion is suppressed, and an increase in leakage current of the gate insulating film of the normally-on transistor 20 and destruction of the gate insulating film are prevented. Also, current collapse is prevented. Therefore, the reliability of the semiconductor device is improved.
ツェナーダイオード85のツェナー電圧は、ノーマリーオフトランジスタ10のアバランシェ降伏電圧よりも精度よく制御できる。したがって、本実施形態の半導体装置では、ツェナーダイオード85を用いることにより、さらに安定して接続部の過電圧を抑制することが可能となる。また、ノーマリーオフトランジスタ10の第1のドレイン12にノイズ等の予期せぬ高電圧が印加された場合であっても、ツェナーダイオード85により電荷を逃がすことができるため、ノーマリーオフトランジスタ10の保護にも寄与する。   The Zener voltage of the Zener diode 85 can be controlled with higher accuracy than the avalanche breakdown voltage of the normally-off transistor 10. Therefore, in the semiconductor device of this embodiment, by using the Zener diode 85, it is possible to more stably suppress the overvoltage at the connection portion. Further, even when an unexpected high voltage such as noise is applied to the first drain 12 of the normally-off transistor 10, the charge can be released by the Zener diode 85. It also contributes to protection.
(第9の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、第1、第3、第4、第5、第7、第8の実施形態の構成をすべて備える。したがって、第1、第3、第4、第5、第7、第8の実施形態と重複する内容の記載は省略する。
(Ninth embodiment)
The semiconductor device of this embodiment has all the configurations of the first, third, fourth, fifth, seventh, and eighth embodiments. Therefore, the description of the content which overlaps with 1st, 3rd, 4th, 5th, 7th, 8th embodiment is abbreviate | omitted.
図11は、本実施形態の半導体装置の回路図である。本実施形態の半導体装置は、第1、第3、第4、第5、第7、第8の実施形態の構成をすべて備えることにより、これらの実施形態の効果を組み合わせた効果が実現される。   FIG. 11 is a circuit diagram of the semiconductor device of this embodiment. The semiconductor device of the present embodiment includes all the configurations of the first, third, fourth, fifth, seventh, and eighth embodiments, thereby realizing an effect that combines the effects of these embodiments. .
(第10の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、基板、ソースのリード線、ドレインのリード線、ゲートのリード線を備える。基板上に、ノーマリーオフトランジスタ、ノーマリーオントランジスタ、コンデンサ、第1のダイオードが実装され、ソースのリード線側からドレインのリード線側に向けて、ノーマリーオフトランジスタ、ノーマリーオントランジスタの順に配置され、ソースのリード線と、第1のソースおよび第1のカソードが接続され、ドレインのリード線と、第2のドレインが接続される。
(Tenth embodiment)
The semiconductor device of this embodiment includes a substrate, a source lead wire, a drain lead wire, and a gate lead wire. On the substrate, a normally-off transistor, a normally-on transistor, a capacitor, and a first diode are mounted. From the source lead wire side to the drain lead wire side, the normally-off transistor and normally-on transistor are arranged in this order. The source lead, the first source and the first cathode are connected, and the drain lead and the second drain are connected.
本実施形態は、第9の実施形態の回路構成をパワーモジュールとして具体化した形態である。以下、第9の実施形態と重複する内容については記述を省略する。   The present embodiment is a form in which the circuit configuration of the ninth embodiment is embodied as a power module. Hereinafter, the description overlapping with the ninth embodiment is omitted.
図12は、本実施形態の半導体装置の上面模式図である。   FIG. 12 is a schematic top view of the semiconductor device of this embodiment.
本実施形態の半導体装置は、基板90、ソースのリード線91、ドレインのリード線92、ゲートのリード線93、を備える。ソースのリード線91がソース端子100、ドレインのリード線92がドレイン端子200、ゲートのリード線93がゲート端子300に対応する。   The semiconductor device of this embodiment includes a substrate 90, source lead 91, drain lead 92, and gate lead 93. The source lead 91 corresponds to the source terminal 100, the drain lead 92 corresponds to the drain terminal 200, and the gate lead 93 corresponds to the gate terminal 300.
基板90の少なくとも表面には、例えば、金属の導電体95が存在する。基板90上に、ノーマリーオフトランジスタ10、ノーマリーオントランジスタ20、ツェナーダイオード85、ショットキーバリアダイオード80が実装される。ノーマリーオフトランジスタ10、ノーマリーオントランジスタ20、ツェナーダイオード85、ショットキーバリアダイオード80は、例えば、半導体チップであり、例えば、導電性ペーストやハンダにより基板の導電体95上に実装される。   For example, a metal conductor 95 exists on at least the surface of the substrate 90. On the substrate 90, a normally-off transistor 10, a normally-on transistor 20, a Zener diode 85, and a Schottky barrier diode 80 are mounted. The normally-off transistor 10, the normally-on transistor 20, the Zener diode 85, and the Schottky barrier diode 80 are, for example, semiconductor chips, and are mounted on the conductor 95 of the substrate by, for example, conductive paste or solder.
また、基板90上に、コンデンサ40、第1のダイオード30、第1の抵抗素子50、第2の抵抗素子70、第2のダイオード60が、ハンダを介して導電体95に実装されている。   On the substrate 90, the capacitor 40, the first diode 30, the first resistance element 50, the second resistance element 70, and the second diode 60 are mounted on the conductor 95 via solder.
そして、ソースのリード線91側からドレインのリード線92側に向けて、ショットキーバリアダイオード80、ツェナーダイオード85、ノーマリーオントランジスタ20の順に配置される。また、基板90のソースのリード線91側からドレインのリード線92側に向けて、ノーマリーオフトランジスタ10、ノーマリーオントランジスタ20の順に配置される。   The Schottky barrier diode 80, the Zener diode 85, and the normally-on transistor 20 are arranged in this order from the source lead wire 91 side to the drain lead wire 92 side. Further, the normally-off transistor 10 and the normally-on transistor 20 are arranged in this order from the source lead 91 side of the substrate 90 toward the drain lead 92 side.
そして、ソースのリード線91と、第3のアノード81および第1のソース11が接続され、ドレインのリード線92と、第2のドレイン22が接続される。各接続は、例えば、ワイヤボンディングにより行われる。ワイヤボンディングには、例えば、銅(Cu)、アルミニウム(Al)等の材料が用いられる。   The source lead 91, the third anode 81, and the first source 11 are connected, and the drain lead 92 and the second drain 22 are connected. Each connection is performed by wire bonding, for example. For example, a material such as copper (Cu) or aluminum (Al) is used for the wire bonding.
本実施形態によれば、ソースのリード線91側からドレインのリード線92側に向けて、ノーマリーオフトランジスタ10、ノーマリーオントランジスタ20の順に配置される。これにより、半導体装置のオン電流が流れる経路を短くすることができる。この配置によりオン電流の経路の寄生インダクタンスが極力排除され、導通損失が低減される。   According to this embodiment, the normally-off transistor 10 and the normally-on transistor 20 are arranged in this order from the source lead 91 side to the drain lead 92 side. As a result, the path through which the on-current of the semiconductor device flows can be shortened. This arrangement eliminates the parasitic inductance of the on-current path as much as possible and reduces conduction loss.
また、ソースのリード線91側からドレインのリード線92側に向けて、ショットキーバリアダイオード80、ノーマリーオントランジスタ20の順に配置することにより、還流モード時にソースのリード線91→ショットキーバリアダイオード80→ノーマリーオントランジスタ20→ドレインのリード線92の経路で流れる電流の経路を短くすることができる。したがって、還流モード時の導通損失を低減することが可能となる。   Further, by arranging the Schottky barrier diode 80 and the normally-on transistor 20 in this order from the source lead 91 side to the drain lead 92 side, the source lead 91 → Schottky barrier diode in the reflux mode. The path of the current flowing through the path of the lead wire 92 from 80 → normally on transistor 20 → drain can be shortened. Therefore, it is possible to reduce conduction loss in the reflux mode.
また、ショットキーバリアダイオードはリーク電流の温度依存性が大きい。そして、本実施形態の半導体装置における最大の発熱源はGaN系HEMTのノーマリーオントランジスタ20である。したがって、ショットキーバリアダイオード80とノーマリーオントランジスタ20の間に、ツェナーダイオード85を置く配置により、ショットキーバリアダイオード80とノーマリーオントランジスタ20の距離を離すことができる。したがって、ショットキーバリアダイオード80の特性変動を抑制することが可能となる。   In addition, the Schottky barrier diode has a large temperature dependence of the leakage current. The largest heat source in the semiconductor device of this embodiment is a GaN-based HEMT normally-on transistor 20. Therefore, by disposing the Zener diode 85 between the Schottky barrier diode 80 and the normally-on transistor 20, the distance between the Schottky barrier diode 80 and the normally-on transistor 20 can be increased. Therefore, it is possible to suppress fluctuations in characteristics of the Schottky barrier diode 80.
また、接続部のサージ等の過電圧を抑制するツェナーダイオード85は、ノーマリーオフトランジスタ10に隣接して設けられ、第1のソース11と第1のアノード86とを直接ボンディングする。これにより、接続部から電荷を逃がす経路が短くなり、効率良く過電圧の印加を抑制できる。   In addition, a Zener diode 85 that suppresses overvoltage such as surge at the connection portion is provided adjacent to the normally-off transistor 10 and directly bonds the first source 11 and the first anode 86. Thereby, the path | route which makes an electric charge escape from a connection part becomes short, and can suppress application of an overvoltage efficiently.
以上、本実施形態によれば、第9の実施形態の効果に加え、各デバイスを適切に配置、接続することにより、特性に優れた半導体装置を実現できる。   As described above, according to the present embodiment, in addition to the effects of the ninth embodiment, a semiconductor device having excellent characteristics can be realized by appropriately arranging and connecting the devices.
なお、ここでは、第1、第3、第4、第5、第7、第8の実施形態の構成をすべて備える場合を例に説明したが、第3、第4、第5、第7、第8の実施形態から、必要な構成を選択して、パッケージ化することが可能である。   Here, the case where all the configurations of the first, third, fourth, fifth, seventh, and eighth embodiments are provided has been described as an example, but the third, fourth, fifth, seventh, From the eighth embodiment, a necessary configuration can be selected and packaged.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換えまたは変更してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. For example, a component in one embodiment may be replaced or changed with a component in another embodiment. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
10 ノーマリーオフトランジスタ
11 第1のソース
12 第1のドレイン
13 第1のゲート
20 ノーマリーオントランジスタ
21 第2のソース
22 第2のドレイン
23 第2のゲート
30 第1のダイオード
31 第1のアノード
32 第1のカソード
40 コンデンサ
50 第1の抵抗素子
55 第3の抵抗素子
60 第2のダイオード
61 第2のアノード
62 第2のカソード
70 第2の抵抗素子
80 ショットキーバリアダイオード
81 第3のアノード
82 第3のカソード
85 ツェナーダイオード
86 第4のアノード
87 第4のカソード
90 基板
91 ソースのリード線
92 ドレインのリード線
93 ゲートのリード線
94 放電用のリード線
100 ソース端子
200 ドレイン端子
300 ゲート端子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Normally-off transistor 11 1st source 12 1st drain 13 1st gate 20 Normally-on transistor 21 2nd source 22 2nd drain 23 2nd gate 30 1st diode 31 1st anode 32 1st cathode 40 Capacitor 50 1st resistance element 55 3rd resistance element 60 2nd diode 61 2nd anode 62 2nd cathode 70 2nd resistance element 80 Schottky barrier diode 81 3rd anode 82 Third cathode 85 Zener diode 86 Fourth anode 87 Fourth cathode 90 Substrate 91 Source lead 92 Drain lead 93 Gate lead 94 Discharge lead 100 Source terminal 200 Drain terminal 300 Gate terminal

Claims (11)

  1. ソース端子に接続される第1のソース、第1のドレイン、ゲート端子に接続される第1のゲートを有するノーマリーオフトランジスタと、
    前記第1のドレインに接続される第2のソース、ドレイン端子に接続される第2のドレイン、第2のゲートを有するノーマリーオントランジスタと、
    前記ゲート端子と前記第2のゲート間に設けられるコンデンサと、
    前記コンデンサと前記第2のゲート間に接続される第1のアノードと、前記第1のソースに接続される第1のカソードを有する第1のダイオードと、
    を備えることを特徴とする半導体装置。
    A normally-off transistor having a first source connected to the source terminal, a first drain, and a first gate connected to the gate terminal;
    A normally-on transistor having a second source connected to the first drain, a second drain connected to a drain terminal, and a second gate;
    A capacitor provided between the gate terminal and the second gate;
    A first anode connected between the capacitor and the second gate; a first diode having a first cathode connected to the first source;
    A semiconductor device comprising:
  2. 前記ノーマリーオントランジスタは、GaN系のHEMTであることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the normally-on transistor is a GaN-based HEMT.
  3. 前記ゲート端子と前記コンデンサとの間に一端が接続され、他端が前記第1のゲートに接続される第1の抵抗素子を、さらに備えることを特徴とする請求項1または請求項2記載の半導体装置。   3. The first resistance element according to claim 1, further comprising a first resistance element having one end connected between the gate terminal and the capacitor and the other end connected to the first gate. Semiconductor device.
  4. 前記ゲート端子に接続される第2のアノードと、前記第1のゲートに接続される第2のカソードを有し、前記ゲート端子と前記第1のゲートとの間に、前記第1の抵抗素子と並列に設けられる第2のダイオードを、さらに備えることを特徴とする請求項3記載の半導体装置。   A first anode connected to the gate terminal; a second cathode connected to the first gate; and the first resistance element between the gate terminal and the first gate. The semiconductor device according to claim 3, further comprising a second diode provided in parallel with the semiconductor device.
  5. 前記ゲート端子と、前記コンデンサおよび前記第1のゲートとの間に設けられる第2の抵抗素子を、さらに備えることを特徴とする請求項1ないし請求項4いずれか一項記載の半導体装置。   5. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a second resistance element provided between the gate terminal, the capacitor, and the first gate. 6.
  6. 前記コンデンサと前記第2のゲートとの間に設けられる第3の抵抗素子を、さらに備えることを特徴とする請求項3記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 3, further comprising a third resistance element provided between the capacitor and the second gate.
  7. 前記コンデンサの容量が、前記ノーマリーオントランジスタの入力容量の10倍以上であることを特徴とする請求項1ないし請求項6いずれか一項記載の半導体装置。   7. The semiconductor device according to claim 1, wherein a capacitance of the capacitor is 10 times or more an input capacitance of the normally-on transistor.
  8. 前記第1のソースに接続される第3のアノードと、前記第1のドレインおよび前記第2のソースに接続される第3のカソードを有し、順方向降下電圧が、前記ノーマリーオフトランジスタの寄生ボディダイオードの順方向降下電圧よりも低いショットキーバリアダイオードを、さらに備えることを特徴とする請求項1ないし請求項7いずれか一項記載の半導体装置。   A third anode connected to the first source; a third cathode connected to the first drain and the second source; and a forward voltage drop of the normally-off transistor. 8. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a Schottky barrier diode that is lower than a forward drop voltage of the parasitic body diode.
  9. 前記第1のソースに接続される第4のアノードと、前記第1のドレインおよび前記第2のソースに接続される第4のカソードを有し、ツェナー電圧が前記ノーマリーオントランジスタの前記第2のソースと前記第2のゲート間の耐圧よりも低く、前記ツェナー電圧が前記ノーマリーオフトランジスタのアバランシェ降伏電圧よりも低いツェナーダイオードを、さらに備えることを特徴とする請求項1ないし請求項8いずれか一項記載の半導体装置。   A fourth anode connected to the first source; and a fourth cathode connected to the first drain and the second source, wherein a zener voltage is the second of the normally-on transistor. 9. The semiconductor device according to claim 1, further comprising: a Zener diode having a voltage lower than a breakdown voltage between the source and the second gate and having a Zener voltage lower than an avalanche breakdown voltage of the normally-off transistor. A semiconductor device according to claim 1.
  10. 前記ノーマリーオフトランジスタがSiの縦型MOSFETであることを特徴とする請求項1ないし請求項9いずれか一項記載の半導体装置。   10. The semiconductor device according to claim 1, wherein the normally-off transistor is a Si vertical MOSFET.
  11. 基板、ソースのリード線、ドレインのリード線、ゲートのリード線をさらに備え、
    前記基板上に、前記ノーマリーオフトランジスタ、前記ノーマリーオントランジスタ、前記コンデンサ、前記第1のダイオードが実装され、
    前記ソースのリード線側から前記ドレインのリード線側に向けて、前記ノーマリーオフトランジスタ、前記ノーマリーオントランジスタの順に配置され、
    前記ソースのリード線と、前記第1のソースおよび前記第1のカソードが接続され、
    前記ドレインのリード線と、前記第2のドレインが接続されることを特徴とする請求項1ないし請求項10いずれか一項記載の半導体装置。
    A substrate, a source lead, a drain lead, and a gate lead;
    The normally-off transistor, the normally-on transistor, the capacitor, and the first diode are mounted on the substrate.
    From the source lead side to the drain lead side, the normally-off transistor is arranged in the order of the normally-on transistor,
    The source lead, the first source and the first cathode are connected;
    The semiconductor device according to claim 1, wherein the drain lead wire and the second drain are connected to each other.
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